Выбор закона укладки волокон в плоскости и по толщине пакета определяется назначением конструкции и предъявляемым к ней требованиям по условиям эксплуатации. Рассчитывая напряженно деформированное состояние элементов конструкции при действии внешних нагрузок, конструктор одновременно проектирует материал, формируя требования к углу укладки слоев и закону размещения их по толщине таким образом, чтобы напряжение, возникающее в элементах конструкции при заданном распределении действующих внешних нагрузок, было наименьшим. При этом особое внимание должно быть проявлено к выбору оптимальной схемы укладки слоев в зонах приложения сосредоточенных нагрузок с целью обеспечения повышенной надежности конструкции из КМ. Одновременно с разработкой схемы укладки конструктор получает возможность выбрать армирующий материал, который позволит решить поставленную задачу при минимальной массе конструкции. Такое решение достигается путем сравнения проектируемых материалов с традиционным конструкционным материалом, например, с алюминиевым сплавом Д16АТ — наиболее распространенным материалом в авиационной промышленности. Если принять массу конструкции из алюминиевого сплава Д16АТ за 100 %, то масса рассматриваемых композитных материалов при одинаковой прочности конструкции в условиях действия одинаковой внешней нагрузки будет пропорциональна отношению удельной плотности для сплава Д16АТ и композитного материала. Эта зависимость представлена на рис. 16.
Как видно из диаграмм на этом рисунке, масса конструкций из композитных материалов на основе УОЛ-300-К, УТ-900 и стеклопластика, характеристики которых представлены в табл. 4, будет соответственно на 45, 35 и 20 % меньше массы конструкций из сплава Д16АТ.
Следует отметить принципиальное преимущество композитов перед традиционными материалами, которое заключается в следующем. Выбирая материал для различных узлов и агрегатов создаваемой конструкции инженер определяет и заказывает марку металла, отвечающего требованиям данной конкретной конструкции. Для создания одной машины может понадобиться несколько (иногда более десятка) различных марок одного и того же материала, например, стали, которые изготавливаются зачастую на разных заводах.
В случае же с композитными материалами конструктор, варьируя схемой укладки волокон и их размещением по толщине, разрабатывает целую гамму материалов для самых различных узлов и агрегатов своей конструкции, обеспечивая тем самым замкнутый цикл: производство материала — производство изделия.
Слоистая структура рассматриваемых композитных материалов обладает таким серьезным недостатком, как относительно низкая сопротивляемость межслойному сдвигу и обусловленная этим склонность к расслоению. Эти отрицательные особенности КМ начинают особенно отчетливо проявляться при создании толстостенных конструкций, так как возрастает число технологических факторов, определяющих эти способности.
Радикальное увеличение сопротивляемости межслойному сдвигу и поперечному отрыву слоев можно достигнуть созданием межслойных связей. Технологически это осуществляется, в основном, двумя принципиально различными путями: это, во-первых, создание материалов с пространственным расположением армирующих волокон, и, во-вторых, создание пространственных связей между слоями при помощи вискеризации волокон.
В зависимости от способа построения пространственного армирования композитных материалов можно выделить следующие основные группы:
1. Материалы, пространственные связи в которых осуществляются переплетением волокон основы с прямолинейными волокнами утка, как это схематично показано на рис. 17.
2. Материалы, пространственные связи которых создаются за счет введения волокон третьего направления. Эти композитные материалы образуются системой трех нитей в прямоугольной (рис. 18) или цилиндрической системе координат. Волокна могут быть ортогональными или располагаться под углом в одной из плоскостей армирования.
Применение трехмерноармированных тканей для изготовления КМ позволяет на порядок увеличить межслойную прочность на отрыв и существенно повысить сопротивление сдвигу по сравнению с прочностью слоистых материалов.
Особую группу представляют композитные материалы, межслойные связи в которых создаются за счет вискеризации волокон. Процесс вискеризации представляет собой процесс выращивания (закрепления) нитевидных кристаллов (вискеров) на поверхности армирующих волокон преимущественно нормально к поверхности, как это схематично показано на рис. 19. Нитевидные кристаллы — вискеры, обладают высокой удельной прочностью и жесткостью. Их можно вальцевать, разрезать, обрабатывать без заметного снижения прочностных свойств. Существенным недостатком нового класса армирующих материалов — нитевидных кристаллов — является неприменимость для них обычной технологии изготовления. Вискеризованные материалы требуют создания новой специализированной технологии в целях использования всех потенциальных возможностей вискеризации.
Таким образом, применяя различные способы расположения армирующих волокон, используя методы вискеризации, изменяя соотношения арматуры в разных направлениях, можно создавать материалы с задуманными свойствами.
Одним из наиболее серьезных недостатков современных КМ на основе высокомодульных волокон, обеспечивающих наибольшую удельную прочность и жесткость при статических нагрузках, является их относительная низкая трещиностойкость, определяющая усталостную прочность материала при нагрузках, действующих в режиме длительной эксплуатации, а также низкая стойкость при ударных и кратковременных динамических нагрузках. Однако в последнее время разрабатываются методики проектирования, основанные на изучении механики разрушения, и формирования на этой основе приемов, обеспечивающих необходимую трещиностойкость и стойкость к ударным нагрузкам конструкций из КМ.
Механизм разрушения материала представляет собой сложную совокупность явлений, возникающих при разрушении и рассматриваемых с точки зрения линейной механики. При этом механизм разрушения композитов отличается от разрушения металлов. В композитном материале, как правило, имеются внутренние дефекты, связанные с технологией их изготовления. Это прежде всего образование пустот (непроклей) внутри материала, различного рода инородные включения, нарушение непрерывности укладки волокон и степени равномерности их укладки в слое, остаточные напряжения, образующиеся при усадке матрицы и т. д. Эти дефекты материала могут служить источником концентрации напряжений, от которых возникают микротрещины. Наиболее общей закономерностью разрушения твердых тел является диффузионное или рассеянное накопление микротрещин в нагруженном материале, определяющее развитие разрушения. Это накопление и объединение микротрещин, которое происходит в результате длительного воздействия эксплуатационных нагрузок, обусловливает появление так называемых усталостных трещин. Возникновение и дальнейшее развитие усталостных трещин характеризует усталостную прочность материала.
При ударных нагрузках, вызванных попаданием в элементы конструкции посторонних предметов, происходит появление в материале дополнительных микротрещин, дробление и отслаивание волокон от связующего, которые, объединяясь в зависимости от силы удара, способствуют образованию обширной зоны нарушения сплошности материала в районе удара.
Появившиеся трещины можно разделить на две основные категории, а именно, трещины, распространяющиеся вдоль поверхности волокон и разделяющие волокна, остающиеся в композите, и трещины, распространяющиеся поперек волокон.
В первую категорию включаются трещины, которые распространяются вдоль волокон и разделяют композит по всей толщине, что вызывает немедленное разрушение. Повысить прочность материала в этом случае можно, только ужесточив требования к технологии изготовления материала и обеспечив необходимое «смачивание» армирующих волокон связующим, повысив адгезию на поверхности раздела.
Распространение трещин в поперечном направлении, а также стойкость КМ при ударных нагрузках могут быть рассмотрены в первом приближении, в рамках линейного механизма разрушения, обязанного возникновением работам Гриффитса, Ирвина и др. исследователей.
Согласно Гриффитсу развитие трещины происходит тогда, когда освободившаяся часть энергии деформации больше превращения поверхностной энергии, необходимой для образования новой поверхности трещины. При соблюдении этого условия в вершинах (на краях) образовавшейся трещины напряжение достигает такого уровня, при котором происходит дальнейший рост трещины без увеличения приложенной нагрузки.
На основании линейной теории упругости Ирвин оценил поле напряжений в окрестностях вершины трещины с помощью коэффициента интенсивности напряжений К, который характеризует интенсивность поля напряжений у вершины трещины. Разрушение материала наступает при условии, что коэффициент интенсивности напряжений достиг своего критического значения, равного Кс, являющегося постоянной характеристикой данного материала и определяющего условия его разрушения в результате образовавшейся трещины или пробоины без увеличения приложенной нагрузки. Величина коэффициента Кс, называемого еще характеристикой вязкости разрушения, связывает разрушающее напряжение в материале и предельно допустимые размеры его повреждения.
Повышение стойкости материала к разрушению достигается управлением его физико-механическими свойствами, такими, как пластичность, характеризуемая величиной относительной деформации при разрушении